كفاءة المروحة عند سرعات هواء من 0–38 ميلًا في الساعة

بقلم لاورن ناجيل

يُعد اختبار نفق الرياح خطوة أساسية في تصميم الطائرات المسيّرة وتطويرها، إذ غالبًا ما تختلف أداء أنظمة الدفع في الظروف الساكنة عنها في الظروف الواقعية.

على سبيل المثال، يُعد دفع المروحة وكفاءتها أمرين حاسمين لإتمام المهمة، ومع ذلك، يتفاوتان بشكل كبير مع تغير سرعة الهواء. ويُعد تحديد خصائص أداء الطائرة المسيّرة عند سرعات هواء مختلفة أمرًا أساسيًا لأي طائرة تُستخدم في عمليات تتجاوز الطيران في الأحوال الجوية المواتية.

لاختبار كيفية تغير أداء المروحة مع سرعة الهواء، استخدمنا محطة اختبار المروحة الخاصة بنا، واختبرنا مراوح الطائرات المسيّرة عند سرعات هواء تتراوح من 0 إلى 38 ميلًا في الساعة (0 - 17 م/ث).

جدول المحتويات:

1. إجراء اختبار نفق الرياح

2. دفع المروحة مقابل سرعة الدوران عند سرعات هواء مختلفة

3. نسب دفع المروحة إلى القدرة

4. كفاءة المروحة (طريقتان)

الشكل 1: إعداد اختبار المروحة في نفق الرياح

1. إجراء اختبار نفق الرياح

يتضمن إعداد الاختبار الخاص بنا ثلاث قطع رئيسية من معدات القياس:

1. Windshaper مقاس 2×2 - وهو جدار مكوّن من وحدات مروحية يولد سرعات هواء تزيد عن 16 م/ث، ليحل محل نفق الرياح التقليدي. ويتم التحكم في سرعة كل مروحة ومستوى اضطرابها باستخدام برنامج WindControl.

2. منصة دفع سيريز 1585 - وهي منصة لقياس دفع المروحة وعزم الدوران وسرعة الدوران والتيار والجهد، وذلك لاستنتاج القدرة والكفاءة. وقد أُجريت الاختبارات بشكل آلي باستخدام برنامج فلايت ستاند.

3. مستشعر ضغط سرعة الهواء - متصل بأنبوب بيتوت وبرنامج فلايت ستاند، وتتم مزامنة بيانات سرعة الهواء مع قياسات منصة الدفع.

الشكل 2: منصة دفع مروحة سيريز 1585 مع مستشعر سرعة الهواء وأنبوب بيتوت

قمنا بتركيب مروحة مقاس 9 بوصات على بُعد 210 سم من Windshaper، وأجرينا اختبارًا آليًا متدرجًا بأربع مستويات من الخنق: 1550 و1700 و1850 و2000 ميكروثانية.

الشكل 3: رسم بياني للاختبار المتدرج في برنامج فلايت ستاند

استخدم كل اختبار سرعة هواء ثابتة ومستوى اضطراب ثابتًا عبر المراوح، وتم تكراره عند 6 سرعات مختلفة: 

• 0 م/ث (0 ميلًا في الساعة)

• 4.2 م/ث (9.4 ميلًا في الساعة)

• 7.5 م/ث (16.8 ميلًا في الساعة)

• 10.7 م/ث (24 ميلًا في الساعة)

• 14 م/ث (31.3 ميلًا في الساعة)

• 17 م/ث (38 ميلًا في الساعة)

الشكل 4: ضبط طاقة مروحة Windshaper على 100% (17 م/ث) في برنامج WindControl

تم «تصفير» قياسات الدفع بتسجيل الدفع عند مستوى خنق 0% لكل سرعة هواء، ثم طرح الدفع المقاس من إجمالي الدفع المسجل عند كل مستوى خنق. وعند أعلى سرعة هواء، تم تثبيت المروحة برفق لمنعها من الدوران أثناء قياس الخط الأساسي. وكان الهدف من ذلك عزل الدفع الناتج عن المروحة.

للمزيد من القراءة: اختبار المروحة باستخدام CFD مقابل الاختبارات التجريبية (النتائج)

اعتبارات أخرى تتعلق بإعداد الاختبار:

• من الضروري ترك مساحة كافية خلف Windshaper لضمان سحب الهواء بكفاءة

• حرصنا على أن يكون مدخل أنبوب بيتوت غير مسدود لضمان قياس تدفق الهواء المنتظم

• هدفنا إلى تقليل المسافة بين أنبوب بيتوت ومروحة الاختبار مع الحد من اضطراب تدفق الهواء. وفي المرة القادمة، سنقوم بتصوير التدفقات الديناميكية الهوائية باستخدام WindProbe 3D.

الشكل 5: جدار رياح Windshaper مقاس 2×2 مزود بـ 36 مروحة يتم التحكم في كل منها على حدة

2. دفع المروحة مقابل سرعة الدوران عند سرعات هواء مختلفة

يوضح الرسم البياني أدناه نتائج توليد الدفع مقابل سرعة الدوران في كل حالة من حالات الرياح. وتمثل نقاط البيانات الأربع عند كل سرعة هواء القراءات عند كل مستوى خنق.

الشكل 6: رسم بياني لدفع المروحة مقابل سرعة الدوران عند سرعات هواء تتراوح من 0 إلى 17 م/ث

ازداد توليد الدفع مع زيادة مستوى الخنق، وكان في أعلى مستوياته في حالة عدم وجود رياح. ومع زيادة سرعة الهواء، كانت سرعة الدوران الأعلى مطلوبة لتحقيق نفس الدفع.

لدفع معين، زادت سرعة دوران المروحة مع زيادة مدخل الخنق وسرعة الهواء. وتعود سرعة الدوران الأعلى إلى الرياح الصادرة عن Windshaper، إذ تدفع شفرات المروحة وتجعلها تدور بشكل أسرع.

عادة ما ترتبط سرعة الدوران الأعلى بتوليد دفع أكبر، ولكن هذا لا ينطبق إلا عند سرعة هواء ثابتة. ويعتمد دفع المروحة على الخصائص الفيزيائية للمروحة، أي نصف قطرها وخطوة شفراتها، وأيضًا على ضغط الهواء المتدفق عبر مساحة قرص المروحة.

توضح المعادلة أدناه لدفع المروحة الديناميكي (Electric Aircraft Guy) كيفية ارتباط سرعة الهواء الأمامية للمروحة بتوليد الدفع. لاحظ أن المعاملات نظرية وستتفاوت بسبب ملف المروحة ورقم رينولدز والظروف البيئية.

ومع ذلك، تُعد المعادلة مفيدة لفهم كيفية تأثير التغييرات في المعلمات على دفع المروحة. على سبيل المثال، مع زيادة سرعة الهواء الأمامية، ينخفض دفع المروحة.

يحدث هذا الانخفاض في الدفع لأن الدفع هو ناتج الفرق في سرعة الهواء الداخل والخارج من المروحة. ويمكن أيضًا التعبير عن دفع المروحة على النحو التالي:

للمزيد من القراءة: كيفية حساب دفع المروحة (الساكن والديناميكي)

عندما تكون المروحة ساكنة، أي عندما تكون الطائرة في حالة سكون، يتسارع الهواء المحيط بسرعة عند دخوله إلى المروحة. وعندما تتسارع الطائرة وتكتسب المروحة سرعة أمامية، تزداد السرعة النسبية للهواء الذي يلتقي بشفرات المروحة (V0)، بينما لا تزداد Ve بشكل متناسب، مما يؤدي إلى توليد دفع أقل.

بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة سرعة الهواء، يتغير متجه تدفق الهواء النسبي عند المروحة. ويمثل هذا المتجه مجموع متجه سرعة دوران المروحة ومتجه سرعة الهواء. والزاوية بين متجه تدفق الهواء النسبي وخط وتر المروحة هي زاوية الهجوم. ومع زيادة مقدار متجه سرعة الهواء، تقل زاوية الهجوم، مما يؤدي إلى انخفاض توليد الدفع.

الشكل 7: تغير زاوية هجوم المروحة مع زيادة سرعة الهواء (Roddy Mc Namee)

شاهد فيديو Roddy Mc Namee حول زاوية هجوم شفرة المروحة لمعرفة المزيد.

3. نسب دفع المروحة إلى القدرة

مع زيادة سرعة الهواء، تنخفض القدرة الميكانيكية. وفي الرسم البياني أدناه، نوضح انخفاض الدفع والقدرة، وكذلك نسبة الدفع إلى القدرة:

الشكل 8: دفع المروحة والقدرة ونسب الدفع إلى القدرة عند 9000 دورة في الدقيقة

يقارن الرسم البياني الدفع والقدرة عند 9000 دورة في الدقيقة لكل من سرعات الهواء الستة، ويستنتج القيم من منحنيات أدائها. ونسبة الدفع إلى القدرة هي ببساطة الدفع مقسومًا على القدرة.

في الرسم البياني، من الواضح أن الدفع ينخفض بسرعة أكبر من القدرة. وعلى الرغم من أن الدفع الناتج يقل مع زيادة سرعة الهواء، إلا أن كمية مماثلة من القدرة تُستهلك، مما يؤدي إلى نسبة دفع إلى قدرة أقل عند سرعات الهواء الأعلى.

بين 0 و17 م/ث، ينخفض الدفع بنسبة 75%، بينما تنخفض القدرة بنسبة 19% فقط.

يترجم هذا إلى انخفاض في كفاءة المروحة عند سرعات الهواء الأعلى، كما سنرى في القسم التالي.

موصى به لك: طريقتان لموازنة مروحة الطائرة المسيّرة

4. كفاءة المروحة (طريقتان)

أخيرًا، سننظر في كفاءة المروحة عبر سرعات الهواء باستخدام طريقتين مختلفتين.

تقيس الطريقة الأولى كفاءة المروحة بوحدة جرامات قوة الدفع المتولدة لكل واط من القدرة الميكانيكية، وهي حاصل ضرب عزم الدوران في سرعة الدوران:

حيث يُقاس الدفع بوحدة gf، وعزم الدوران بوحدة Nm، وسرعة الدوران بوحدة دورة في الدقيقة.

توفر هذه المعادلة مقياسًا لكفاءة المروحة بوحدة gf/W، وهي طريقة بديهية لتقييم أداء نظام الدفع عند التعامل مع طائرات الإقلاع والهبوط العمودي مثل الطائرات المسيّرة.

نظرًا إلى أن القيمة المعلنة ليست بلا أبعاد، فمن الأدق وصفها بأنها مقياس للأداء.

الطريقة الثانية لتقييم كفاءة المروحة هي النظر في نسبة القدرة المتاحة إلى القدرة الميكانيكية. وتُعد هذه الطريقة مفيدة لأخذ الكفاءة الديناميكية الهوائية في الاعتبار، وهي ذات صلة بشكل خاص بالطيران الأمامي، كما هو محاكى في تجربتنا:

القدرة المتاحة هي حاصل ضرب الدفع في السرعة. في التطبيق النموذجي، تشير السرعة إلى سرعة الطائرة نفسها، ولكن نظرًا لأننا نحاكي هذه الحالة باستخدام مروحة ثابتة في تيار رياح، فسنستخدم سرعة الرياح الصادرة عن Windshaper، حيث يكون التأثير النسبي متساويًا.

لذلك،

حيث يُقاس الدفع بوحدة N، وسرعة الرياح بوحدة m/s، وعزم الدوران بوحدة Nm، وسرعة الدوران بوحدة rad/s.

يُرمز لكفاءة المروحة بـ «η» وهي خاصية بلا أبعاد، ويُعرض كنسبة مئوية أدناه.

عندما نرسم كفاءة المروحة مقابل سرعة الدوران عند كل سرعة هواء، نرى الاتجاه التالي:

الخلاصة

توضح هذه التجارب العلاقة الرائعة بين سرعة الهواء ودفع المروحة، والقدرة والكفاءة. هذه الأنواع من التجارب ضرورية لفهم كيفية عمل نظام الدفع في ظروف الطيران الحقيقية.

في هذه الدراسة، استخدمنا نفق رياح Windshaper مقاس 2x2 لتوليد رياح بسرعة ثابتة، لكن هذه الآلات قادرة على ما هو أكثر بكثير. انقر هنا لمعرفة كيف يمكن لأجهزة Windshapers أن تساعدك في تحسين أداء طائرتك المسيّرة.